Законы Менделя

Законы Менделя

Основополагающие законы наследования были открыты во второй половине XIX века Грегором Менделем. В своих знаменитых опытах Г. Мендель скрещивал различные сорта гороха, различающиеся по семи стабильно наследующимся морфологическим признакам, касающимся, главным образом, формы и окраски семян или цветков. Затем на  протяжении нескольких последующих поколений он проводил количественный учет растений отдельно по каждому из этих признаков. Оказалось, что при этих условиях все гибриды первого поколения были похожи на одного из родителей. Эти наблюдения явились основой для формулировки первого закона Менделя – закона единообразия  гибридов первого поколения. Тот признак, который проявлялся у гибридов первого поколения, был назван Менделем доминантным, а не проявляющийся признак – рецессивным. В дальнейшем было показано, что этот закон относится к разряду   общебиологических закономерностей. Следует подчеркнуть, что доминирование не всегда является абсолютным. Так, например, при скрещивании растений с красными и белыми цветками у гибридов может наблюдаться промежуточная, розовая окраска цветков. В этом случае говорят о неполном доминировании.

Во втором поколении при самоопылении гибридов появлялись растения, как с доминантным, так и с рецессивным признаком, в среднем, в соотношении 3:1. Это второй закон Менделя – закон расщепления признаков. Конечно, этот  закон реализуется только на больших выборках. Если мы ограничимся анализом  одной семьи, то есть исследуем  потомство от скрещивания всего лишь двух гибридных растений, то  соотношения по признакам могут оказаться любыми. Для получения этой закономерности необходимо суммировать результаты анализа потомства от скрещивания многих гибридных растений, причем, чем больше будет исследованная выборка потомков, тем точнее реальное распределение по признакам будет приближаться к гипотетическому значению 3:1. Для обнаружения этой закономерности Менделю пришлось подсчитать более 10 000 растений. Заметим, что при неполном доминировании  во втором поколении будут наблюдаться все формы растений: первая родительская, гибридная и вторая  родительская, в среднем, в соотношении 1:2:1 соответственно.

Наблюдаемые закономерности позволили Менделю высказать гипотезу о существовании двух дискретных наследственных факторов, ответственных за каждый из исследуемых признаков – доминантного, который он обозначил заглавной буквой А, и рецессивного – а. Следующее предположение заключалось в том, что только один из этих факторов  попадает в зародышевые клетки или гаметы. Таким образом, исходные сорта гороха несут два одинаковых наследственных фактора, ответственных за изучаемый признак, в одном сорте это АА, а в другом – аа. Гибриды  первого поколения несут оба наследственных фактора – Аа. И хотя рецессивный фактор (а) не проявляется в присутствии доминантного (А), но он и не исчезает. Эти два дискретных наследственных фактора не сливаются друг с другом, и каждый из них с равной вероятностью попадает в различные половые клетки. Более того, гаметы как с доминантным, так и с рецессивным факторами в равной степени участвуют в оплодотворении. В результате образуются растения трех типов: АА, Аа и аа в соотношении 1:2:1.

В дальнейшем для упрощения понимания закономерностей наследования было предложено использовать так называемую решетку  Пеннета – таблицу, в первой строке и первом столбце которой записываются типы женских и мужских гамет, а на их пересечении типы образующихся потомков. В нашем случае эта таблица выглядит следующим образом:

Таблица 1.

Решетка  Пеннета для моногибридного скрещивания

Гаметы ♀/♂Аа
ААААа
аАааа

Поскольку рецессивный наследственный фактор не проявляется в присутствии доминантного, растения АА и Аа внешне будут идентичны друг другу, и по признаку будет наблюдаться расщепление 3:1. Эти гениальные предположения Менделя получили название гипотезы чистоты гамет. Заметим, что при неполном доминировании распределения по наследственным факторам и по признакам совпадают.

При описании схемы скрещивания в генетике используются следующие обозначения: родители – P (от лат. parentes – родитель), особи женского пола –  ♀ (зеркало Венеры), мужского – ♂ (щит и копье Марса), скрещивание – х (знак умножения), потомство от скрещивания – F  (от лат. filialis – сыновний) с цифровым индексом: F1 – первое поколение, F2 – второе и т.д. Черточка, стоящая справа от доминантного фактора,  (A_) означает то, что на этом месте может стоять как доминантный, так и рецессивный фактор. Запишем в этих обозначениях схему скрещивания, использованную Менделем, которая в дальнейшем получила название моногибридного скрещивания – рис. 1.

P:                                 AA       х      aa

гаметы:                       А                а 

потомство F1:                    Aa

 

F1:                                Aa       х     Aa

гаметы:                    А   а          А   а 

F2,  расщепление по генотипу:      

                                          1AA   : 2Aa   : 1 aa

F2,  расщепление по  признаку:              

                                              3A_  :   1aa

Рисунок 1. Моногибридное скрещивание

Подчеркнем еще раз, что успех этих опытов в значительной степени был предопределен тем, что Мендель вел количественный учет растений отдельно по каждому из признаков. Подобная методология скрещиваний, позволяющая получать и анализировать гибриды называется  гибридологическим анализом. При изучении наследования сразу двух признаков  (дигибридное скрещивание), оказывалось, что каждый из них ведет себя независимо друг от друга. Это приводит к тому, что во втором поколении наблюдаются 4 группы растений: имеющих одновременно оба доминантных признака или только один из двух доминантных признаков или  не имеющих доминантных признаков, в соотношении 9:3:3:1. Разберем эту ситуацию более подробно. Обозначим доминантный и рецессивный наследственный фактор, ответственный за первый признак —  А  и  а, а за второй признак –  B и b, соответственно. В этих обозначениях исходные родительские сорта будут  иметь   наследственные факторы ААBB и aabb, а схема дигибридного скрещивания будет выглядеть следующим образом:    

P:                        AABB              х           aabb

гаметы:                АB                              аb

потомство F1:                       AaBb

 

F1:                        AaBb              х          AaBb

гаметы:       АB  Ab   аB  ab           АB  Ab   аB  ab

F2, расщепление по генотипу:

1AABB : 2 AABb : 2AaBB : 4AaBb : 1AAbb : 2Aabb : 1aaBB : 2aaBb :1aabb

F2, расщепление по признакам:

9A_ B_ :  3A_ bb :  3aa B_ : 1aabb

 

Рисунок 2. Дигибридное скрещивание

Таблица 2.

Решетка  Пеннета для дигибридного скрещивания

Гаметы ♀/♂ABAbaBab
ABAABBAABbAaBBAaBb
AbAABbAAbbAaBbAabb
aBAaBBAaBbaaBBaaBb
abAaBbAabbaaBbaabb

При тригибридном скрещивании количество различных комбинаций признаков в  F2 увеличивается до 8, и соотношения становятся еще более сложными (27:9:9:9:3:3:3:1). Попробуйте нарисовать схему тригибридного скрещивания и решетку Пеннета для этой схемы, и Вы убедитесь в справедливости этих соотношений.

На основании своих наблюдений Мендель сформулировал закон независимого комбинирования признаков. Однако этот закон оказался справедлив далеко не для всех признаков, определяемых одним наследственным фактором. Он соблюдается только в том случае, если эти наследственные факторы находятся в разных хромосомах. Но об этом речь будет идти позднее.

К сожалению, работы Грегора Менделя остались незамеченными современниками, и его законы были независимо вновь открыты в самом начале XX века тремя исследователями, один из которых В. Иогансен предложил назвать постулированные Менделем наследственные факторы генами, совокупность генов – генотипом, а совокупность признаков организма – фенотипом. Варианты  наследственных факторов или альтернативные состояния генов (доминантный, рецессивный) носят названия аллелей. Генотип может быть гомозиготным при наличии двух одинаковых аллелей (АА или аа) или гетерозиготным, если аллели разные (Аа). В некоторых случаях  отношения доминантности и рецессивности отсутствуют и оба аллеля проявляются в фенотипе. Этот тип взаимоотношения аллелей называется кодоминированием.

Аллели или состояния генов влияют на характер развития признаков, что и служит основой для фенотипической изменчивости. Конечно, не менее важную роль в этом играют факторы окружающей среды. Если  эта изменчивость не выходит за пределы нормы, то соответствующие аллели называют нормальными или аллелями дикого типа. Нормальные аллели, обычно, имеют широкое распространение, однако их частоты в разных популяциях и этнических группах могут существенно различаться. Те  аллели, частоты которых  в популяции превышают определенный уровень, например 5%, называют полиморфными аллелями  или полиморфизмами.  Аллели, приводящие к патологическому развитию признака, называют мутантными аллелями или мутациями. В популяциях они встречаются гораздо реже, так как  оказывают отрицательное влияние на общую жизнеспособность и потому подвергаются давлению естественного отбора.  Мутации разных генов ассоциированы с наследственными болезнями человека. Сочетания нормальных и мутантных аллелей различных генов определяют индивидуальную наследственную конституцию каждого человека. Таким образом, люди отличаются между собой не по наборам генов, а по их состояниям, то есть по наследственной конституции.

Законы Менделя справедливы для моногенных признаков, которые также называют  менделирующими. Чаще всего, их проявления носят  качественный альтернативный характер: коричневый или голубой цвет глаз, темная или светлая окраска кожи, наличие или отсутствие какого-то наследственного заболевания и т. д. В  формировании других признаков, таких как рост, вес, характер телосложения или тип поведения, могут участвовать десятки или даже сотни генов. Степень  выраженности подобных признаков у отдельных особей часто может быть измерена количественно, и потому такие  признаки называют количественными.

Является ли признак моногенным и подчиняется ли характер его наследственной передачи в ряду поколений законам Менделя, легко установить экспериментально, проводя определенные схемы скрещивания между растениями или животными. Но термин скрещивание не применим к человеку, так как браки между людьми заключаются на добровольной основе. Мы можем только изучать последствия этих браков, то есть составлять родословные человека, анализ которых и дает нам возможность судить о том, является ли тот или иной признак моногенным и подчиняется ли он законам Менделя.

Приведем пример подобного анализа. В качестве альтернативного признака выберем карюю и голубую окраску глаз. В русском селе на протяжении нескольких поколений дети во всех семьях голубоглазые, а в осетинском селе – кареглазые. Русский юноша женился на осетинке, а ее односельчанин женился на голубоглазой русской девушке. В каждой из этих двух семей родилось по пятеро детей,  и все они оказались кареглазыми. На этом этапе мы с большой уверенностью можем утверждать, что каряя окраска глаз доминирует над голубой. Дети этих двух семей воспитывались вместе, и два брата из первой семьи женились на двух сестрах из второй семьи. У первого брата родилось шестеро детей, и все оказались кареглазыми. У второго брата родилось семеро детей, из них один мальчик и одна девочка оказались голубоглазыми. Очевидно, что первый брат либо его супруга являются гомозиготами по карей окраске глаз. А второй брат и его супруга оба гетерозиготны по гену, контролирующему окраску глаз. Два сына первого брата женились на голубоглазых девушках.  У первого сына пятеро детей оказались кареглазыми, а у второго трое из шестерых детей оказались голубоглазыми. Очевидно, что либо отец, либо мать этих двух сыновей гетерозиготны в отношении окраски глаз, первый сын гомозиготен по карей окраске, а второй гетерозиготен.

Для того чтобы облегчить анализ наследственной передачи признака в семье строят ее родословную. При этом используют символы, представленные на рис. 3. На одной линии должны быть размещены все родственники, относящиеся к одному поколению. Поколения обозначают римскими цифрами, а отдельных членов каждого поколения – арабскими. В этом случае каждый член семьи будет иметь свой индивидуальный номер из одной римской и одной арабской цифры. Нарисуем родословную нашей семьи и постараемся определить возможные генотипы ее участников (рис. 4):

 

 

I1 (АА) – осетинская девушка, I2 (аа) – русский юноша (первая семья);

I3 (аа) – русская девушка, I4 (АА) – осетинский юноша (вторая семья).

II1-3 (А_) – неженатые дети первой семьи;

II4 (Аа) и II9 (Аа) – семья первого брата;

II5  и II6 – семья второго брата,  один из супругов АА, а другой Аа;

II7, 8, 10 (А_) – неженатые дети второй семьи.

III1 (аа) – голубоглазая девушка, вышедшая замуж за первого сына – III2 (АА);

III3-6 (А_) – неженатые дети первого сына;

III7 (Аа) – второй сын, женившийся на голубоглазой девушке – III8 (аа);

III9 (аа) – голубоглазый сын первого брата;

III10-13,15 (А_) – кареглазые дети первого брата;

III9 (аа) – голубоглазая дочь первого брата.

Таким образом, голубоглазые люди являются рецессивными гомозиготами (аа), а кареглазые могут быть либо доминантными гомозиготами (АА), либо гетерозиготами (Аа). У двух голубоглазых родителей дети всегда голубоглазые. А у двух кареглазых родителей могут родиться голубоглазые дети с вероятностью 25% в том случае, если они оба гетерозиготны (Аа). Если хотя бы один из родителей гомозиготен по карей окраске глаз (АА), все дети будут кареглазыми, но голубоглазым может оказаться кто-то из внуков. Если в браке кареглазого супруга с голубоглазым часть детей оказываются голубоглазыми, значит кареглазый супруг гетерозиготен по гену, контролирующему окраску глаз (Аа).